Текст книги "Удивительная физика"

Чем кормить электрическую лошадку?

Электромобиль сегодня – притча во языцех. Вот автомобили, дескать, весь кислород съели и всю атмосферу задымили, только электромобиль и может спасти мир от экологической катастрофы.

Мало кто знает, что электромобиль появился задолго до первого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Как только в 30-х гг. XIX в. появился первый электродвигатель, его сразу поставили на экипаж. Питался этот двигатель от батареи гальванических элементов.

Автором первого в мире электромобиля был англичанин Роберт Дэвидсон. Его машина, построенная в 1837 г. еще в правление королевы Виктории, представляла собой четырехколесную коляску длиной 4,8 и шириной 1,8 м, с метровыми колесами, т. е. была достаточно крупным сооружением. Большую часть коляски занимали батарея гальванических элементов и пока еще примитивный, внушительных размеров электродвигатель. О ходовых качествах этого электромобиля достоверных сведений не осталось.

Рис. 323. Серно-натриевый аккумулятор

Но чтобы электромобиль мог заменить автомобили, ему нужен достойный аккумулятор, обычным стартерным тут не обойдешься. Сейчас ученые связывают свои надежды с необычным на первый взгляд аккумулятором, в котором используются гальванические пары сера-натрий (рис. 323) и хлор-литий (рис. 324). Металлы – натрий или литий – там расплавлены, их температура достигает нескольких сот градусов. Расплавленный натрий соединяется в аккумуляторе с горячей жидкой серой, а литий взаимодействует с раскаленным газом – хлором. Из-за того, что содержимое таких аккумуляторов при работе нагрето до 300—800 °С, они получили название горячих.

Рис. 324. Хлорно-литиевый аккумулятор:

1 – хлорный электрод; 2 – канал ввода хлора; 3 – литиевый электрод; 4 – сепаратор

Происходящее внутри горячих аккумуляторов напоминает мифологический ад. Достаточно представить расплавленную серу, в которой варится расплавленный же натрий, тот самый натрий, что и от воды-то загорается и даже взрывается! О хлоре и говорить нечего – это один из наиболее ядовитых газов, чрезвычайно активный даже при комнатной температуре, а что будет при 800 °С! Недаром ученые который уж год бьются над созданием корпуса к этому адскому накопителю – мало какой материал выдерживает такую начинку.

Однако, к чести горячих аккумуляторов, они при низкой своей стоимости развивают плотность энергии примерно в 10 раз бо2ль-шую, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, и плотность мощности у них значительно выше. Если свинцово-кислотные аккумуляторы накапливают в 1 кг своей массы 60—80 кДж энергии, а щелочные – 110, то горячие серно-натриевые – 400—700 кДж!

Автомобилю для пробега в 100 км хватило бы всего 50 кг серно-натриевого аккумулятора. 150 кг на 300 км пробега – это неплохие результаты. Но горячие аккумуляторы перед началом работы надо разогревать, их оболочка долго не выдерживает адское содержимое. Да и при аварии машины с таким аккумулятором присутствовать даже зрителем никому не пожелаешь.

Более спокойный характер у новых, медно-литиевых аккумуляторов. Они имеют катод из медного сплава и анод из пористого лития. Электролит органический, с высокой электропроводностью. Плотность энергии в опытных образцах этих аккумуляторов в 1,5 раза выше, чем у серебряно-цинковых, но, что самое важное, у них возможно получение высоких удельных мощностей. Если же вместо меди взять фтористое соединение никеля, то и процесс зарядки аккумулятора можно сильно сократить, всего до нескольких минут, что также очень существенно.

Интересны аккумуляторы на основе цинка и… обыкновенного воздуха. Цинковый анод здесь просто окисляется кислородом воздуха, поэтому весь запас энергии в батарее обусловлен только количеством цинка. Катод изготовлен из пористого никеля и почти не расходуется, а анод по мере износа заменяется новым или восстанавливается пропусканием зарядного тока (рис. 325).

Рис. 325. Воздушно-цинковый аккумулятор:

1 – электролитный насос; 2 – компрессор; 3 – цинковые элементы

Своеобразие этих батарей заключается в том, что они могут работать как в режиме аккумуляторов, так и в режиме обычных гальванических элементов, попросту «сжигая» – окисляя цинк в кислороде воздуха. Именно в этом случае цинковые аноды приходится заменять, но плотность энергии элемента при этом получается почти вдвое большей, чем у аккумулятора.

Но главнейшей проблемой электромобиля являются не сами аккумуляторы, а то, что для зарядки этих аккумуляторов просто не хватит мощности электростанций всего мира, ибо мощность двигателей всех автомобилей значительно превышает мощность всех электростанций. На электромобили можно перевести лишь незначительную долю автотранспорта, преимущественно в городах. Поэтому надо научиться вырабатывать электричество из топлива прямо на автомобиле (теперь уж его с полным основанием можно называть электромобилем). И эту задачу с успехом выполняют топливные элементы. Они бесшумно и экологически безвредно преобразуют химическую энергию топлива в электроэнергию с КПД, превышающим КПД электростанций.

Еще в XIX в. было замечено, что если в горячий раствор едкого кали опустить платиновые электроды и к одному из них медленно подавать водород, а к другому кислород, то на электродах появляется разность потенциалов. Платина играла роль катализатора реакции окисления-восстановления водорода и кислорода. Соединив электроды, ученые получали электрический ток (рис. 326). Ток вначале был невелик, и вся последующая работа над прямым преобразованием энергии топлива в электричество заключалась как раз в увеличении мощности этого процесса.

Рис. 326. Схема работы топливного элемента

Ныне существует множество типов установок для преобразования энергии, называемых топливными элементами, электрохимическими генераторами, или, если они работают на водороде, водородными генераторами. Есть высокотемпературные (как горячие аккумуляторы) топливные элементы, а есть работающие и при комнатной температуре. Применяются также элементы с промежуточными температурами: 100—200 °С. Электролитами могут служить и щелочь, и кислота, причем в твердом и жидком виде.

Разнообразно и топливо, которым питаются такие элементы. Это газы (например, водород); жидкости – спирт, гидразин; твердые вещества – уголь, металлы. В качестве окислителя используют кислород, воздух, перекись водорода. КПД топливных элементов очень высок, он достигает 70 %, что, по меньшей мере, вдвое выше, чем у двигателей.

Как же все-таки работает современный топливный элемент? В во-дородно-кислородном элементе водород поступает на поверхность отрицательного электрода, а кислород – на поверхность положительного электрода. Газы эти доставляются к электродам по трубкам. Ионы водорода в процессе реакции окисления-восстановления соединяются с ионами кислорода, образуя обычную воду. Энергия химической реакции передается электродам в виде электрической энергии. Получаемая в топливном элементе вода удаляется оттуда через особый фитиль (рис. 327). Она настолько чиста, что ее можно использовать для питья и приготовления пищи. Так поступают, например, космонавты в длительном полете – на космических станциях тоже установлены топливные элементы. Это еще одно достоинство прямого преобразования топлива в ток.

Рис. 327. Водородно-кислородный топливный элемент

Водородно-кислородные топливные элементы, если брать в расчет только массу топлива-водорода и кислорода, имеют громадную плотность энергии – около МДж/кг. Но ведь надо учитывать и массу самого устройства – топливного элемента со вспомогательным оборудованием. А это уже снижает плотность энергии до уровня обычных электроаккумуляторов – топливные элементы очень тяжелы. Лишь после многочасовой работы, когда будет израсходовано значительное количество водорода и кислорода, топливные элементы окажутся легче электрохимических аккумуляторов с тем же запасом накопленной энергии.

Плотность мощности у топливных элементов совсем мала, около 60 Вт на 1 кг массы, или втрое меньше, чем у горячих аккумуляторов. Для автомобилей это явно недостаточно.

Но если эту мощность накапливать, например, в маховиках (или супермаховиках), разгоняя их легким скоростным электромотором, то топливные элементы, развивая свою незначительную удельную мощность, смогут обеспечивать ею любой режим движения автомобиля. Ведь непосредственно к ведущим колесам мощность будет подаваться от маховика, который может развивать ее в неограниченных количествах. Трансмиссией в этом случае может служить механический вариатор, легкий и экономичный.

Конечно же, хотя бы в первое время заправка таких электромобилей на топливных элементах будет производиться обычным топливом – сжиженным газом, бензином или соляркой. Уже на самой машине это топливо будет проходить через конвертор, вырабатывающий из него водород, питающий топливные элементы. Кислород будет забираться из воздуха.

На наш взгляд, будущее энергетического агрегата автомобилей именно в использовании гибрида топливных элементов с накопителями энергии.

И работа над этим ведется уже сегодня.

МАГНЕТИЗМ МАГНИТА

Почему магнит называют магнитом?

Действительно, почему мы его так называем? А ведь как только раньше не пробовали именовать магнит! Древние греки – «особым камнем», «тем камнем», а также «геркулесовым камнем», то ли из-за его силы, то ли из-за того, что добывали этот камень близ города Гераклеи в Лидии. У греков было и другое название – «сидерит», в переводе – «алмаз». Но не подумайте, что это из-за твердости или красоты магнита. Просто алмаз сам был назван сидеритом благодаря чисто «железистому» блеску в необработанном виде, так же греки называли и мягкое железо. Греческое название сидерит происходило вследствие «склонности» магнита к железу, а может быть, и из-за того, что магнит первоначально добывали в копях железных руд.

Позже англичане, французы, испанцы, а затем и сами же греки обманулись этой двойственностью названия и положили в основу своих современных прозваний магнита алмаз. Так получились французское «аймант», испанское «пьедрамант», английское «адамант» и новогреческое «адамас». Правда, говорят, что французы при этом имели в виду не алмаз – адамас, а древнее китайское название магнита «чу-ши» или «нитши-чи», что означает «любящий камень». А на французском «аймант» – (произносится «эман») и есть «любящий».

Надо сказать, что весь Древний Восток наделял магнит свойством любить железо. Раз притягивает – значит, любит. И поэтому почти все восточные названия магнита берут начало от этого свойства – например, санскритское «тхумбака».

Итальянцы именовали магнит «каламита», и этим словом стали пользоваться в Румынии, Боснии и в той же Греции.

Рис. 328. Естественные магниты: а – в «шлемах»; б – в оправе с магическим символом

Известно и старонемецкое название магнита: «зигельштейн» – «печатный камень». Вероятно, происходит оно из-за распространенного в древности обычая вырезать на природных магнитах различные магические фигуры и символы (рис. 328), а такие камни уже можно было использовать в качестве печаток. Великий ученый Исаак Ньютон носил даже перстень, где в качестве драгоценного камня присутствовал природный магнит необычайной силы. Возможно, что ученый и припечатывал им сургучные пломбы на письмах и документах… И, наконец, египтяне звали магнит костью Ора. Под именем Ор они имели в виду свойство Солнца восходить и заходить. Иначе говоря, Ор – это одно из божеств Древнего Египта, костью которого, как считалось, был магнит.

Вот сколько имен было у этого чудесного камня, но мы все-таки зовем его магнитом.

Древнегреческий философ Платон сообщает, что такое название дал камню поэт Эврипид. Но ни с того ни с сего ведь слова не выдумаешь. Согласно легенде, описанной античным историком Плинием, заимствованной им из еще более древних источников, некий пастух с острова Крит по имени Магнис или Магнесс заметил, что его сандалии, подкованные железом, а также палка с железным наконечником, липнут к черным камням, в изобилии валявшимся под ногами. Пастух перевернул палку «неподкованным» концом и убедился, что дерево не притягивается странными камнями, которые не признают никаких других материалов, кроме железа. Видимо, пастух захватил несколько таких камней с горы Идо, где он пас овец, домой и поразил воображение соседей. От имени пастуха и пошло название «магнит».

Существует и другое объяснение слова «магнит» – по названию провинции Магнесия в Ионии у реки Меандра. Жителей этой провинции называли магнетами. Римский ученый и поэт Тит Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей», уделяя много внимания магнитам, прямо указывает:

«Камень же этот по имени месторожденья магнитом Назван был греками, так как он найден в пределах магнетов». Немецкое название магнита – «магнет», по-видимому, имеет к этому отношение.

Сейчас эта провинция называется Манисса, и там до сих пор встречаются магнитные камни. Местная гора Сипил, богатая естественными магнитами, часто поражается ударами молний, совсем как гора Магнитная на Урале. Давно было подмечено, что магнит притягивает молнию.

Свыше 2 тысяч лет люди используют свойства магнита. И, пожалуй, раньше всего был применен геркулесов камень в компасе.

Что такое югоуказатель?

Перенесемся в Древний Китай. Китайский историк Су Матзен, изучив древние летописи, оставил нам интересный рассказ о событиях, происшедших в глубокой древности.

Более 4 тысяч лет тому назад император Хуанг Ти с войском, в густом тумане напал на противника с тыла и одержал победу. Помогли ему в этом, согласно летописи, установленные на повозках фигуры с вытянутой рукой, всегда указывающей на юг (рис. 329).

Или другая легенда. В караванах, которые в древности шли по пустыне Гоби на запад, был особый, белый верблюд. Этот верблюд нес на себе необычный груз – глиняный сосуд с водой, помещенный в деревянную защитную клетку. На воде плавал плотик из коры пробкового дерева, на котором был закреплен продолговатый кусочек камня чу-ши или стальная игла, натертая этим камнем. Края сосуда были выкрашены в цвета, символически обозначавшие части света: красный – юг, черный – север, зеленый – восток, белый – запад. (И сейчас часто окрашивают южный полюс магнита в красный цвет, а северный – в черный или синий. Не потому ли, что красный цвет – теплый, а синий – холодный?) Магнит на пробке, легко поворачиваясь на воде, всегда указывал направление «юг – север». Сосуд с водой и магнитом был, пожалуй, самым первым компасом, по которому караван ориентировался в пустыне.

Китайские компасы дошли и до нашего времени, правда, в достаточно поврежденном виде; они хранятся в музеях. Один из таких компасов, относящийся к X в. н. э., внешне удивительно похож на современную деревянную ложку, положенную на поднос (рис. 330). Ручка этой «ложки» представляет собой продолговатый магнит, а дно ложки – неплохую шаровую опору, легко вращающуюся на «подносе», на котором нанесены деления, позволяющие определить страны света, даже юго-запад, юго-восток, северо-запад и северо-восток.

Рис. 330. Китайский компас – «ложка»

В XI—XII в. югоуказатель стал уже называться «чи нан тин», или «стрелка, указывающая на юг», что ближе к современному понятию «магнитная стрелка компаса». Известно и то, что умели приготовлять искусственные магниты из стальной иглы, натертой магнитным камнем. Эта намагниченная игла использовалась в качестве стрелки, «указывающей на юг», или древнего компаса.

Иногда считают, что из Китая через Индию компас попал к арабам, а уже от арабов – к европейцам, причем случилось это в XII в. Но, вероятно, идея компаса так и не проникла из Китая в Европу, и прибор этот был изобретен там самостоятельно. Изобретателем компаса в Европе считается итальянец Флавио Джойя, уроженец города Амальфи. В Неаполе ему даже установили памятник, а в 1902 г. торжественно праздновали 600-летие этого изобретения. Правда, были упоминания о «европейском» компасе у монаха Альбана Некэма в 1187 г. и поэта Гюйо Прованского в 1206 г.

Однако до изобретения Джойя европейский компас хоть и имел стрелку, но не имел поворотного диска с делениями, что сильно затрудняло пользование им. Да и назывался этот прибор не компасом, а дрожалкой, магнитной вертушкой и даже лягушкой. Потом появилось современное название прибора – от итальянского «компассаре», что означает «измерять шагами». А заслугой Джойя явилось хотя бы то, что он снабдил прибор недостающим поворотным диском с делениями, придав ему современный вид. С помощью компаса, изобретенного Джойя, были сделаны все великие географические открытия.

Сильны ли магнитные искушения?

На столе автора лежит толстая книга с профилем мудреца, оттесненном на переплете. Издана она в 1600 г. в Лондоне. Человек, написавший ее, сделал для изучения магнитов больше, чем кто-нибудь другой. Зовут его Вильям (Уильям) Гильберт (1544—1603). Английский поэт Драйден сказал про него:

 
«Гильберт будет жить до тех пор,
пока магнит не перестанет притягивать…»
 

Галилей, прочитав книгу Гильберта, объявил его «великим до такой степени, которая вызывает зависть».

В знаменитом Оксфордском университете долго висел портрет Гильберта, изображенного во весь рост, в докторской мантии, держащего в руке магнитную модель земного шара – террелу. Над левым плечом ученого написаны слова: «Магнитных сил первый изыскатель Гильберт». Современники и потомки называли Гильберта отцом магнетизма.

И все эти слова – признательность ученому за его знаменитую книгу «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле», которую он писал в течение 18 лет.

Гильберт собрал многочисленные притчи и суеверия о магните, созданные древними учеными, «обманщиками и слагателями сказок», как он их называл.

Вот что пишет сам Гильберт:

«Например, высказанное подозрение по поводу магнита, не создан ли он коварно злыми демонами… Или будто магнит отпирает любые замки и затворы и своим дымом и чадом приносит пользу ворам, как будто этот камень возник ради воровства. Или будто железо, притянутое магнитом и положенное на весы, ничего не прибавляет весу магнита, как если бы тяжесть железа поглощалась силой камня. Или будто в Индии существуют какие-то изобилующие магнитом морские скалы, которые извлекают все гвозди из приставших к ним кораблей… и при постройке их приходится употреблять деревянные гвозди, чтобы их не вырвало. Или говорят, что существует и другая гора в Эфиопии, которая порождена камнем феамедом, не выносящим железа, выбрасывающим его и отталкивающим от себя».

«Подобным вздором и сказочками, – эмоционально замечает Гильберт, – пошлые философы забавляются сами и кормят жаждущих познать таинственное читателей и невежд, забавляющихся нелепостями».

Интересно, что не только в старину, но даже и сегодня с магнитом связывали и продолжают связывать различные необычайные явления. Чего только не пытались достигнуть с помощью магнитов! И полететь на Луну, и построить «вечный двигатель», и создать новый тип оружия. Что-то общее есть во всех этих попытках, которые уместно было бы назвать магнитными искушениями.

Все началось опять же с Китая. Согласно легенде, возникшей много веков назад, император Ши Хуанди приказал облицевать магнитным камнем ворота, открывающие дорогу к его дворцу. И если воин в железных латах пытался пройти через эти ворота, то застывал на месте, притянутый магнитом. Более того, если через эти ворота пытался пробраться злоумышленник со спрятанным оружием, то оно вырывалось у него и прилипало к магнитному своду, совсем как гвозди, вырванные из корабля «магнитной горой». Скорее всего, это вымысел, так как природные магниты не могли обладать такой силой.

Характерно, что идея вырывания оружия из рук врага магнитами пережила тысячелетия и дошла даже до позапрошлого века. В романе «На двух планетах» писатель XIX в. Курт Лассвиц описывает битву землян с марсианами. Земляне-кавалеристы смело выступили против марсианских воздушных машин и, казалось, вынудили их подняться в воздух, чтобы улететь. Но хитрые марсиане развернули между своими воздушными машинами нечто в виде огромного покрывала, накрывшего сверху поле сражения. Это покрывало оказалось… огромным магнитом необычайной мощности. Остальное происходило так же, как и в китайских магнитных воротах. Воздух во мгновение ока наполнился густой тучей копий, сабель и карабинов, с громом и треском летевших вверх к магнитному покрывалу, к которому они и прилипали.

Или появился фантастический проект по спасению кораблей от пушечных ядер противника. Идея состояла в том, чтобы на корабле установить навстречу противнику мощные магниты, покрытые толстой броней. Ядра неприятеля должны были притягиваться близлежащим магнитом, сворачивать в его сторону и разбиваться о прочную броню. Остальные части корабля можно было бы оставить незащищенными.

В принципе все было верно, кроме того, что даже самый мощный из магнитов не может действовать на большом расстоянии. Представим себе, что мы имеем магнит, способный притянуть 10 т железа на расстоянии в 1 см. Это очень сильный магнит. Так вот, если мы отодвинем полезный предмет еще на 1 см, то сила притяжения упадет в 8 раз! На расстоянии в 1 м сила притяжения упадет в 1 000 000 раз, и ни о каком притягивании ядер не может быть и речи.

Но в прошлом веке еще не умели рассчитывать силы магнитов, и такой магнит-броня все-таки был построен в 1887 г. Этот магнит притягивал стальную плиту так, что для отрыва ее нужна была сила в 10 т. Четыре 120-килограммовых ядра висели одно за другим на полюсе магнита. Но за 2 м от магнита люди, имевшие стальные предметы в карманах, лишь едва чувствовали действие магнита. О притяжении ядер неприятеля нечего было и думать. Правда, на стрелку компаса такой магнит действовал за 10 км.

И это послужило изобретению так называемых магнитных мин. Известно, что стальные тела под действием земного магнетизма самопроизвольно намагничиваются. Особенно это касается длинных предметов – мостов, кораблей. Так вот, такой намагниченный корабль, проплывая над миной, установленной на дне, влияет на прибор типа магнитной стрелки, находящийся в мине. Мина всплывает и взрывается близ корабля.

Такие магнитные мины можно легко обезвредить. По трассе движения корабля пускают самолет с мощным магнитом на борту. Этот магнит вызывает всплывание и взрыв мины, когда сам самолет будет уже далеко впереди. А кроме того, корабль можно и «размагнитить» – создать такое магнитное поле дополнительными магнитами, которое равно, но противоположно магнитному полю корабля. Так часто и поступали во время Великой Отечественной войны, в частности этим занимался в Крыму будущий великий физик И. В. Курчатов.